一、鎂的性質
鎂是一種銀白色金屬,密度大于水,熔、沸點較高,硬度較小,有良好的導電性、導熱性及延展性,與其他金屬一起易構成性能優良的合金。
鎂的化學性質活潑,固態鎂在潮濕空氣中很容易被氧化,熔融鎂會在空氣中強烈的燃燒。鎂不溶于堿性溶液,但能溶解在各種有機酸和無機酸(氟氫酸和鉻酸除外)中。
鎂為密排六方晶體,室溫變形時,只有單一的滑移系﹛0001﹜〈1120〉,鎂的塑性比鋁低,各向異性也比鋁顯著。隨著溫度的升高,鎂的滑移系會增多,在225℃以上發生(1011)面上[1120]方向滑移,從而塑性顯著提高。因此,鎂合金可以在300-500℃溫度范圍內通過擠壓、軋制和鍛造成型,還可通過鑄造成型,且鎂合金的壓鑄工藝性能比大多數鋁合金好。此外,鎂容易被空氣氧化生成熱脆性較大的氧化膜,焊接時該氧化膜極易形成夾渣,嚴重阻礙焊縫的成型,因此,鎂合金的焊接工藝比鋁合金復雜。
二、鎂的主要用途
鎂是迄今為止在工程應用中最輕的金屬結構材料,具有比強度高、電磁屏蔽性好、減震性好以及抗輻射能力強等一系列優點。作為輕金屬,鎂合金的比強度、比剛度僅次于鈦合金及合金結構鋼,但明顯高于鋁合金,其抗沖擊、加工性能、可回收性能均優于鋁合金。同時,就金屬鎂自身性能而言,亦存在易燃爆、室溫塑性差、耐腐蝕性不佳等不足。
近年來,世界能源、資源危機以及環境污染等問題日趨嚴重,世界各國高度重視鎂合金的研究與開發。通過各種加工方法制成的鎂合金具有高強度、高韌性、耐高溫和耐腐蝕等特點,不僅能夠滿足輕量化的需求,還具有減震性好、耐沖擊、屏蔽性好以及易回收等諸多優勢。鎂已被廣泛應用于國民經濟的各個領域,包括交通運輸、航天航空、國防軍工、電子通訊等重要行業,成為發展快、應用廣、關聯度大的有色金屬基礎材料之一。
三、鎂的資源
鎂是自然界中分布最廣的元素之一,約占地殼質量的2.35%,居第8位;按金屬結構材料排序,列在第3位。世界上鎂鹽資源極其豐富,其液體礦有海水、地下鹵水、鹽湖鹵水;固體礦有菱鎂礦、白云石礦、蛇紋石礦、滑石、水鎂石及少量其他沉積礦等。在海水中的鎂含量高達1014噸級。即每立方米海水中約含有1.5Kg鎂,因而海水為人們提供了取之不盡的鎂資源。中國白云石儲量極為豐富,遍布全國各地。20世紀80年代初步探明的儲量即達40余億噸。中國菱鎂礦資源總量31.45億噸,集中分布在遼寧、山東、河北等地,菱鎂礦主要用于生產作為耐火材料原料的重燒氧化鎂,其次是用于生產膠凝材料的輕燒氧化鎂,再次是用于提煉金屬鎂。
四、鎂的提取與制備
1830年英國科學家M?法拉第首先用電解熔融氯化鎂的方法制得了純鎂。1852年P?本生在實驗室范圍內對此法進行了較詳細的研究,直到1886年在德國建成了世界上第一家鎂廠,開始鎂的工業生產。1909年在德國法蘭克福國際航空展覽會上,首先出現了用鎂合金所鑄的構件。又由于“電子”鎂基合金(作結構材料)的發明和使用,鎂的需求量增加,對鎂生產的發展產生了重大的影響,確定了電解氯化鎂作為工業生產鎂的方法。1916年美國道屋(DOW)化學公司建立自己的第一家電解氯化鎂生產鎂的工廠,開始工業化生產電解鎂。電解法是當時具有先進水平的工藝方法。直到1990年代,道屋化學公司長期是世界鎂工業的支柱企業。
由于鎂需求量的增加,只靠電解法生產不能滿足鎂的需求,所以許多科學家在化學法的基礎上,開始研究熱還原法煉鎂。從1913年起,至今已有一百多年的歷史。1924年由Л?X?安吉平和A?Φ?阿拉貝舍夫第一次用硅作還原劑還原氧化鎂,1932年他們又用鋁硅合金作還原劑還原氧化鎂。1941加拿大Toronto大學教授L?M﹒皮江(Pidgeon)博士及其合作者在渥太華發明了在外熱式真空蒸餾罐內用硅鐵還原氧化鎂制鎂的新工藝,并建立了一個以硅鐵還原煅燒白云石煉鎂的試驗工廠,獲得了成功。1942年加拿大政府在哈雷白云石礦建立了一個年產5000噸金屬鎂的硅熱法煉鎂廠。隨后,硅熱法(皮江法)煉鎂工藝在不斷改進提升的過程中得到推廣使用,目前已經成為世界金屬鎂生產的主流技術。中國鎂工業主要采用硅熱法煉鎂工藝(也稱皮江法工藝)。
隨著鎂工業的發展,自1992年起,中國成為世界金屬鎂產品的凈出口國。1992年的凈出口量為0.35萬噸,到1998年凈出口量增加到9.95萬噸,是1992年的28.4倍,成為全球最大的金屬鎂產品出口國。
五、鎂的深加工及其應用
近年來,國內鎂合金深加工裝備制造發展迅速,推動企業裝備大型化提高國際競爭力。
深圳力勁科技集團已成為世界級的壓鑄裝備生產、技術研究、裝備標準研究的大型骨干企業。該集團2000年成功研制出中國第一臺熱室/冷室鎂合金壓鑄機,填補了國內在這一領域的多項空白。2007年以來美國通用公司已訂購23臺DCC3000壓鑄生產單元,用于生產汽車發動機缸體;2005-2008年,日本豐田、本田公司均采用中國壓鑄裝備生產其汽車關鍵零部件;2007-2010年,富士康、比亞迪也大批量購進國內大型壓鑄生產單位。中國壓鑄裝備產業發展對鎂合金壓鑄加工產業作出了巨大貢獻。
國內企業紛紛裝備大型鎂合金加工設備,大大提高了國際競爭力。富士康科技集團引進4200t、3200t、3000t、2700t、2500t等大型壓鑄機;青海鹽湖集團引進加拿大3500噸壓鑄機2臺;營口銀河鎂鋁合金公司的1750mm寬四輥熱軋機、1625mm六輥冷軋生產線也已建成,并成功試產(7-10)×1500mm鎂合金熱軋板和厚0.8mm寬1500mm長5000mm冷軋板。山東華盛榮鎂業科技有限公司和鶴壁富邁特鎂科技有限公司也安裝了4500噸擠壓機;山西聞喜銀光華盛鎂業完成了3600噸大型擠壓機的安裝調試,試產了3×500mm鎂合金擠壓卷帶材,將為大型斷面型材,為磁懸浮列車、高鐵配套產品及軍工大斷面產品生產提供保證,為鎂合金擠壓開坯及成卷軋制工藝研究,開發中俄烏國際間合作項目以及中美加車體前端項目奠定了裝備基地(見圖4-35);裝了6000噸大型鍛壓機2臺,形成年產50萬只鎂合金輪轂的生產能力。
表1 中國鎂及鎂合加工技術進展情況
加工技術分類 | 技術特點(色) | 適用范圍 | |
鑄 造 | 擠壓鑄造 | 低速充填壓力下凝固,組織致密,可熱處理強化 | 汽車關鍵部件 |
高壓壓鑄 | 層流壓鑄、效率高、晶粒細小、強度較高、尺寸精度高 | 電子、汽車、工具部件 | |
真空壓鑄 | 氣孔率低、組織致密、可熱處理強化 | 汽車關鍵部件 | |
低壓鑄造 | 自下而上充型平穩、順序凝固、壓力補縮、致密、可熱處理 | 輪轂、艙體等軍、民用大型鑄件 | |
重力鑄造 | 封閉熔煉、短流程澆注、鎂液陶瓷過濾 | 輪轂、艙體等 | |
精密鑄造 | 涂層轉移精密鑄造、高光潔度、高尺寸精度 | 各種精度要求高的軍工鑄件 | |
塑 性 加 工 | 熱擠壓 | 臥式連續擠壓、在線矯直 | 各種規格管、棒、型材 |
等溫軋制 | 等溫軋制、輥內加熱、軋制溫度:300-350℃ | 500mm薄板 | |
差溫拉伸 | 變壓邊力、差溫加熱 | 3C等沖壓產品 | |
等溫鍛造(壓) | 組織致密、強度高 | 輪轂等 |
六、主要鎂企業